光伏组件自动清洗系统设计课程设计.docx

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光伏组件自动清洗系统设计课程设计

《光伏组件自动清洗系统设计》

课程设计

第1章项目研究背景分析

1.1光伏系统概述

2010年，我国新增光伏发电装机约500MW，累计达800MW。

但与我国飞速发展的光伏制造业相比，在光伏应用领域的前进步伐明显滞后于我国光伏制造业。

2000年，我国太阳能电池产量仅为3MW，到2007年年底达到1088MW，超过欧洲（1062.8MW）和日本（920MW），跃居世界第一位。

2010年，我国太阳能电池产量达到10GW，约占全球光伏电池产量的一半。

目前，我国光伏发电的应用市场处于起步阶段。

从当前光伏发电应用领域来看，现主要广泛应用于工业、农业、科技、国防及人们生活方面，预计到21世纪中叶，太阳能光伏发电将成为重要的发电方式，在可再生能源结构中占有一定比例。

当前太阳能光伏发电主要应用领域如下：

1.通信领域的应用。

主要包括无人值守微波中继站，光缆通信系统及维护站，移动通信基站，广播、通信、无线寻呼电源系统，卫星通信和卫星电视接收系统，农村程控电话、载波电话光伏系统，小型通信机，部队通信系统，士兵GPS供电等。

2.公路、铁路、航运等交通领域的应用。

如铁路和公路信号系统，铁路信号灯，交通警示灯、标志灯、信号灯，公路太阳能路灯，太阳能道钉灯、高空障碍灯，高速公路监控系统，高速公路、铁路无线电话亭，无人值守道班供电，航标灯灯塔和航标灯电源等。

3.石油、海洋、气象领域的应用。

如石油管道阴极保护和水库闸门阴极保护太阳能电源系统，石油钻井平台生活及应急电源，海洋检测设备，气象和水文观测设备，观测站电源系统等。

4.农村和边远无电地区应用。

在高原、海岛、牧区、边防哨所等农村和边远无电地区应用太阳能光伏户用系统、小型风光互补发电系统等解决日常生活用电问题，如照明、电视、收录机、DVD、卫星接收机等的用电，也解决了手机、手电筒等随身小电器充电的问题，发电功率大多在及瓦到几百瓦。

应用1～5kW的独立光伏发电系统或并网发电系统作为村庄、学校、医院、饭馆、旅社、商店等的供电系统。

应用太阳能光伏水泵，解决了无电地区的深水井饮用、农田灌溉等用电问题。

另外还有太阳能喷雾器、太阳能电围栏、太阳能黑光灭虫灯等应用。

5.太阳能光伏照明方面的应用。

太阳能光伏照明包括太阳能路灯、庭院灯、草坪灯，太阳能景观照明，太阳能路标标牌、信号指示、广告灯箱照明等：

还有家庭照明灯具及手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、割胶灯、节能灯、手电等。

1.2光伏发电特点

太阳能光伏发电过程简单，没有机械转动部件，不消耗燃料，不排放包括温室气体在内的任何物质，无噪声、无污染；太阳能资源分布广泛且取之不尽、用之不竭。

因此，与风力发电和生物质能发电等新型发电技术相比，光伏发电是一种最具可持续发展理想特征（最丰富的资源和最洁净的发电过程）的可再生能源发电技术，其主要优点有以下几点。

1.太阳能资源取之不尽，用之不竭，照射到地球上的太阳能要比人类目前消耗的能量大6000倍。

而且太阳能在地球上分布广泛，只要有光照的地方就可以使用光伏发电系统，不受地域、海拔等因素的限制。

2.太阳能资源随处可得，可就近供电，不必长距离输送，避免了长距离输电线路所造成的电能损失。

3.光伏发电的能量转换过程简单，是直接从光子到电子的转换，没有中间过程（如热能转换为机械能、机械能辖换为电磁能等）和机械运动，不存在机械磨损。

根据热力学分析，光伏发电具有很高的理论发电效率，可达80%以上，技术开发潜力巨大。

4.光伏发电本身不使用燃料，不排放包括温室气体和其他废气在内的任何物质，不污染空气，不产生噪声，对环境友好，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定而造成的冲击，是真正绿色环保的新型可再生能源。

5.光伏发电过程不需要冷却水，可以安装在没有水的荒漠戈壁上。

光伏发电还可以很方便地与建筑物结合，构成光伏建筑一体化发电系统，不需要单独占地，可节省宝贵的土地资源。

6.光伏发电无机械传动部件，操作、维护简单，运行稳定可靠。

一套光伏发电系统只要有太阳能电池组件就能发电，加之自动控制技术的广泛采用，基本上可实现无人值守，维护成本低。

7.光伏发电系统工作性能稳定可靠，使用寿命长（30年以上）。

晶体硅太阳能电池寿命可长达20～35年。

在光伏发电系统中，只要设计合理、选型适当，蓄电池的寿命也可长达10～15年。

8.太阳能电池组件结构简单，体积小、重量轻，便于运输和安装。

光伏发电系统建设周期短，而且根据用电负荷容量可大可小，方便灵活，极易组合、扩容。

二、光伏发电缺点分析

当然，太阳能光伏发电也有它的不足和缺点，归纳起来有以下几点。

1.能量密度低。

尽管太阳投向地球的能量总和极其巨大，但由于地球表面积也很大，而且地球表面大部分被海洋覆盖，真正能够到达陆地表面的太阳能只有到达地球范围辐射能量的10%左右，致使在陆地单位面积上能够直接获得的太阳能量较少。

通常以太阳辐照度来表示，地球表面最高值约为1.2kWh/m2，且绝大多数地区和大多数的日照时间内都低于1kWh/m2。

太阳能的利用实际上是低密度能量的收集、利用。

2.占地面积大。

由于太阳能能量密度低，这就使得光伏发电系统的占地面积会很大，每10kW光伏发电功率占地约需100m2，平均每平方米面积发电功率为100W。

随着光伏建筑一体化发电技术的成熟和发展，越来越多的光伏发电系统可以利用建筑物、构筑物的屋顶和立面，将逐渐克服光伏发电占地面积大的不足。

3.转换效率低。

光伏发电的最基本单元是太阳能电池组件。

光伏发电的转换效率指的是光能转换为电能的比率。

目前晶体硅光伏电池转换效率为13%～17%，非晶硅光伏电池只有6%～8%。

由于光电转换效率太低，从而使光伏发电功率密度低，难以形成高功率发电系统。

因此，太阳能电池的转换效率低是阻碍光伏发电大面积推广的瓶颈。

4.间歇性工作。

在地球表面，光伏发电系统只能在白天发电，晚上不能发电，除非在太空中没有昼夜之分的情况下，太阳能电池才可以连续发电，这和人们的用电需求不符。

5.受气侯环境因素影响大。

太阳能光伏发电的能源直接来源于太阳光的照射，而地球表面上的太阳照射受气候的影响很大，长期的雨雪天、阴天、雾天甚至云层的变化都会严重影响系统的发电状态。

另外，环境因素的影响也很大，比较突出的一点是，空气中的颗粒物（如灰尘）等降落在太阳能电池组件的表面，阻挡了部分光线的照射，这样会使电池组件转换效率降低，从而造成发电量减少。

6.地域依赖性强。

地理位置不同，气候不同，使各地区日照资源相差很大。

光伏发电系统只有应用在太阳能资源丰富的地区其效果才会好。

7.系统成本高。

由于太阳能光伏发电的效率较低，到目前为止，光伏发电的成本仍然是其他常规发电方式（如火力和水力发电）的几倍，这是制约其广泛应用的最主要因素。

但是我们也应看到，随着太阳能电池产能的不断扩大及电池片光电转换效率的不断提高，光伏发电系统的成本也下降得非常快。

太阳能电池组件的价格几十年来已经从最初的每瓦70多美元下降至目前的每瓦1美元左右。

8.晶体硅电池的制造过程高污染、高能耗。

晶体硅电池的主要原料是纯净的硅。

硅是地球上含量仅次于氧的元素，主要存在形式是沙子（二氧化硅）。

从沙子一步步变成含量为99.9999%以上纯挣的晶体硅，期间要经过多道化学和物理工序的处理，不仅要消耗大量能源，还会造成一定的环境污染。

尽管太阳能光伏发电存在上述不足，但是随着能源问题越来越重要，大力开发可再生能源将是解决能源危机的主要途径。

太阳能光伏发电是一种最具可持续发展理想特征的可再生能源发电技术，近年来我国政府也相继出台了一系列鼓励和支持太阳能光伏产业的政策法规，这将极大促进太阳能光伏产业的发展，光伏发电技术和应用水平也将会不断提高，我国光伏发电产业的前景十分广阔。

1.3光伏发电前景分析

回顾100年间能源工业的发展历史，人类正在消耗地球50万年历史中积累的有限能源资源煤和石油，虽然极大地解放了生产力，但同时也向人类敲响了常规能源面临枯竭的警钟。

根据有关材料显示，人类己确知的石油储备将用40多年，天然气60余年，煤大约200年。

另外，以化石能源为主体的能源结构，对人类环境的破坏显而易见，每年排放的二氧化碳达210万吨，并呈上升趋势，从而造成冰雪消融，冰川退缩，全球气候变暖。

能源短缺和环境保护是21世纪经济发展和能源领域最重要的课题。

目前国际上对太阳能资源已经十分重视。

1954年贝尔实验室第一块单晶硅太阳能电池面世，为世界能源提供了一个新的希望。

在20世纪70年代以来，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。

利用太阳能发电的光伏发电技术被用于许多需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源无处不在。

由于太阳能光伏发电的诸多优点，其研究开发、产业化制造技术及市场开拓已经成为当今世界各国，特别是发达国家激烈竞争的主要热点。

世界实力大国都制定了雄心勃勃的光伏发电近期规划：

到2010年日本计划累计装机容量将达到5GW，德国为2.7GW，欧盟为3GW，美国为4.7GW，澳大利亚为0.75GW，印度、中国等发展中国家估计为1.5～2GW。

统计表明到2010年，世界光伏系统累计装机容量预计将达到14～15GW。

据权威机构预测，2020年光伏发电在世界电力生产中所占比例将达1％，2050年约占25％。

由此可见，光伏发电具有广阔的市场和发展前景。

1.4光伏组件清洗装置现状

光伏发电作为一种清洁可再生能源，在国家政策的支持下，近年来得到了迅速的发展。

据国家能源局统计，截止2016年底，我国光伏发电新增装机容量3454万千瓦，累计装机容量7742万千瓦，新增和累计装机容量均为全球第一。

近年来国内外一些专家与学者对积灰影响光伏组件输出性能和光伏系统发电效率进行了若干研究。

NASA曾对来自火星和月球表面的灰尘颗粒物沉降对太阳电池板的影响作了研究，并推导出当灰尘颗粒沉积量达到3mg/cm2时，太阳能电池板的太阳透射率会降到50%。

温岩等人总结了积尘对光伏系统发电效率的影响，提出了灰尘对光伏组件透射率、散热和腐蚀的影响，并探究积灰与风速风向、降水强度、空气污染程度、灰尘性质、光伏组件放置的地点和光伏组件安装倾角等因素的关系，得出风速、降水强度与灰尘沉积成正比，雾霾天气会造成灰尘沉积增加，不同性质的灰尘会影响光伏组件的清洗难度，光伏组件安装倾角越大，灰尘越难在其表面附着和滞留。

唐治平等人研究了光伏电站智能清洗模型，并进行了实例分析，得出了新疆地区光伏组件清洗周期和发电量以及经济效益之间的关系。

崔剑等人对中国西部大型地面并网光伏电站固定式光伏组件清洗方案进行了研究，陈利等人光伏组件清洁工作对光伏发电成本的经济性进行了研究，通过对多个电站进行研究得出光伏电站清洗周期在2个月比较合理。

王子文等人设计了一种大型光伏电站光伏组件自动清洗机，提出先扫灰、进一步清洗、清洗收尾的三步清洗法，巫江等人设计设计了光伏组件自动除尘装置，并且给出了光伏组件最优化除尘方案设计原则。

美国圣地亚哥市某光伏电站对灰尘导致的发电量损失率进行了研究，5月15日-8月29日期间没有降雨，灰尘导致光伏电站发电量的损失率一直在增加，最高时为22%。

光伏组件积灰对光伏电站存在着较大的影响，主要包括：

（1）光伏电池板表面的灰尘会遮挡太阳光线对组件的照射，减少投射到光伏电池表面的太阳辐射量，从而使光伏组件发电量下降。

实验数据表明，最多时有20%左右的发电量因降尘而损失。

（2）光伏组件表面有灰尘时，长久的阳光照射使组件表面受遮挡部分升温远大于未被遮挡部分，温度过高时会出现烧坏的暗斑——热斑。

可导致光伏电池局部烧毁形成暗斑、焊点熔化和封装材料老化等永久性损坏，甚至可能导致安全隐患。

第2章光伏组件清洗装置

2.1我国的光伏装机量

光伏发电作为一种清洁可再生能源，在国家政策的支持下，近年来得到了迅速的发展。

据国家能源局统计，截止2016年底，我国光伏发电新增装机容量3454万千瓦，累计装机容量7742万瓦，新增和累计装机容量均为全球第一。

2.2光伏阵列不清洗的危害

美国圣地亚哥市某光伏电站对灰尘导致的发电量损失率进行了研究，5月15日-8月29日期间没有降雨，灰尘导致光伏电站发电量的损失率一直在增加，最高时为22%。

光伏组件积灰对光伏电站存在着较大的影响，主要包括：

（1）光伏电池板表面的灰尘会遮挡太阳光线对组件的照射，减少投射到光伏电池表面的太阳辐射量，从而使光伏组件发电量下降。

实验数据表明，最多时有20%左右的发电量因降尘而损失。

（2）光伏组件表面有灰尘时，长久的阳光照射使组件表面受遮挡部分升温远大于未被遮挡部分，温度过高时会出现烧坏的暗斑——热斑。

可导致光伏电池局部烧毁形成暗斑、焊点熔化和封装材料老化等永久性损坏，甚至可能导致安全隐患。

2.3光伏组件清洗装置现状分析

3.1人工清洗

人工清洗：

人工清洗方式有人力擦洗、直喷水清洗、压缩空气吹扫等。

人力擦洗是最原始的组件清洗方式，完全依靠人力完成，这种清洗方式工作效率低、清洗周期长、人力成本高，还存在人身安全隐患。

3.2半自动清洗方式

半自动清洗是通过人工操作专用清洗车洗装置的方式实现光伏组件的清洁。

半自动清洗方式对光伏组件阵列的高度、宽度、阵列间路面状况的要求较为苛刻，无法满足所有大型光伏电站的应用需求。

3.3自动清洗方式

自动清洗方式是将清洗装置安装在光伏组件阵列上，通过程序控制电机的转动实现装置对光伏组件的自动清洗，是未来光伏电站组件清洗的发展趋势。

因此有必要对大规模光伏阵列自动清洗系统进行研究。

第3章光伏自动清洗方式设计

本作品将采用高压喷水的清洗方式，将清洗水管网分成一级水管、二级水管和三级水管。

其中一级水管由高压水泵供水并且内部压力保持在设定的压力范围内；一级水管通过一级电磁阀向二级水管供水；二级水管通过二级电磁阀向三级水管供水；三级水管与清洗机构连接。

清洗时通过一级电磁阀和二级电磁阀的控制就可以将整个光伏整列分成一定组别依次进行清洗。

改方案的优点是，二级水管和三级水管在不清洗时通过电磁阀与一级水管断开，避免清洗管网过大而出现清洗压力难以控制的情况。

污水、雨水收集槽用于收集清洗时的污水、以及雨天光伏组件表面收集到的雨水，并通过雨水、污水管道送入雨水、雨水净化池净化后（由浊度计检测）再由水泵输送到蓄水池中，以实现节水。

3.1光伏清洗机构

清洗机构的结构示意图，将导轨安装在光伏支架上，移动机构带动喷水管沿导轨运动，喷水管在自上往下运动的过程中向光伏组件喷射高压水束，将组件表面的灰尘和其他污物冲洗干净。

图2清洗机构结构示意图

喷水管下侧有喷水缝，喷水缝与光伏组件之间有一个角度a，以便于灰尘和污物从上往下冲洗。

本课题设计的喷水缝结构比传统的多喷头结构效果更好，成本更低。

3.2光伏清洁度传感器

光伏清洁度传感器的一种实施方案；本实施例的薄膜式清洁机构包括缠绕设有清洁薄膜的放卷轴4和用于收卷使用后的薄膜的收卷轴5，放卷轴4和收卷轴5分别设置在对应的光伏板的两端，且位于放卷轴4和收卷轴5之间的薄膜6覆盖在对应的光伏板上。

数据采集器1分别与清洁光伏组件2和对比光伏组件3电连接并分别采集清洁光伏组件2和对比光伏组件3的单位面积光伏板的输出功率。

使用时，清洁光伏组件2每天均更换薄膜以保持清洁状态，而对比光伏组件3在光伏电站的其他光伏组件清洗时才同步更换薄膜，如此，通过设置数据采集器1分别采集清洁光伏组件2的光伏板的单位面积输出功率和对比光伏组件3的光伏板的单位面积输出功率，即可计算出对比光伏组件3因灰尘覆盖而导致的功率衰减程度，且由于清洁光伏组件2和对比光伏组件3均同时受到薄膜的影响，因此其单位面积输出功率的比值与实际情况相同，可为光伏组件的自动清洗控制提供数据依据。

3.3控制系统结

控制器通过信号调理模块采集组件清洁度传感器、压力传感器和浊度计的输出信号，并根据控制策略通过驱动模块控制高压水泵、一级电磁阀、二级电磁阀、清洗机构和水泵的运行。

第4章项目的综合效益评价

由于当代能源危机与环境保护的重视，光伏发电项目得到了发展，因此光伏项目的综合效益评价不能背离我国的可持续发展理论，同时要结合光伏发电项目的自身特点及其特定的功能要求与建设目标，保证项目建设的科学性、合理性，经济性、和谐性。

本文对光伏组件自动清洗系统综合效益评价，主要包括下四个方面：

经济效益、环境效益和社会效益。

4.1经济效益分析

目前国内光伏组件清洗市场按每兆瓦太阳能电站按7500平方米估算，全国需要清洗的光伏组件面积达到5.8亿平方米，市场容量非常大。

目前市场上每平方米每次清洗0.3～0.5元人民币，按每年清洗2次，清洗市场规模达到3.5~6亿元。

另一方面，在专业清洗设备上需求也很大，按每兆瓦5000元计算，市场规模大约在3-4亿元。

4.2技术效益分析

太阳能光伏发电项目的技术评价包括对系统建设选址的效果以及系统设备运行维护能力的评价。

选址首先考虑的是地区太阳能资源的丰富性，还需要考虑该地区电网对光伏电力调度过程中矛盾的协调，利益分配的能力，具体需要对太阳福射资源评估预测、电站场址选择的效果，太阳能电池板及组件安装、设备运行维护等方面进行考察论证。

我国是世界上太阳能最丰富的地区之一，特别是西部地区，年日照时间达3000h以上。

太阳能分布最丰富的是青藏商原，全国有2/3上的地区年日照大于2000h，年均福射量约为5900

，而山东省在能源分布中属于三类地区，年均福射量在

，年日照时间在2200-3000h。

山东的太阳能资源充足，适合光伏发电的实施和发展。

太阳能发电并网系统的建设包括硬件设施及技术工艺。

太阳能电池阵列、输配电系

统、逆变器系统和远程监测系统四大系统及其核也设备组成光伏发电的硬件技术系统。

光伏发电系统是集技术、资金于一体，技术的可靠性、先进性、适应性和实用性对于实

现综合效益起着重要的作用。

光伏发电项目系统性能相关技术指标包括设备技术可靠性、太能能阵列安装形式、系统运维水平三方面。

技术的可靠性包括太阳能光伏电池、逆变器系统的可靠性。

技术持久性、项目相关设备可维修性以及技术可靠性为可靠性的三大范畴。

而对于本文设计的系统，选用的光伏电池板的使用年限约为25年，而选择大功率、性能可靠的逆变器对于并网光伏系统具有保护功能，减少系统损耗，系统可靠性提高。

从系统安装的角度，光伏组件串联安装，设计的支架可以调节光伏板的倾角，使太阳能阵列能最大效率的利

用太阳能，且交直流侧都安装有断路器，对电路有保护作用。

4.3社会效益分析

分布式光伏发电系统相较于常规火电、水电等新能源发电形式，虽然规模较小但是分布广泛，影响深远。

分布式光伏产业的发展不仅具有调整我国能源结构，保护环境等重大作用，而且对人民福利的提髙和经济发展等方面也具有不容忽视的作用。

在我国太阳能福射资源最丰富的地区却是西部经济发展较为落后的地区。

光伏发电系统的发展带来的大规模投资以及政府对于光伏发电系统的政策补贴，将会带动该地区其他产业的发展，极大促进这些地区的经济发展，在一定程度上消除了贫困，减小东西部地域的经济差距。

另外，光伏发电系统的建设创造了大量的就业机会，提高了就业率，又进一步促进了区域的经济发展。

光伏产业的繁荣，使得西部等地区交通道路改善，电网设施完善，创造了区域发展的良性循环。

4.4环境效益分析

环境效益是指项目建设对所在地的环境改善带来的影响，很明显太阳能发电系统的

环境效益显著。

在改善环境方面，光伏发电系统能有效促进我国节能减排目标的实现。

光伏发电并网后，既能满足用户电能需要，减缓用电高峰期对电网的压力，又因其代替了传统化石能源发电，节约了煤碳消耗，同时减少了化石能源带来的二氧化碳、二氧化硫、烟尘等等有害气体及废气排放，有利于环境改善，更有利于减缓近期出现的严重的雾疆天气。

本文根据系统的发电量来评价环境效益。

以电网可以不用生产太阳能光伏发电系统的发电量，从而可以节约投入到发电厂的一次性能源的方法来评价太阳能光伏发电系统的节能效果。

我国火力发电厂最多大约为40-42%，以电网发电效率为39%来计算太阳能光伏发电系统发电量的一次能源节省量。

以国内电厂的平均能耗水平来说，每节约1度电，就相应节约了0.36kg标准煤，此系统每年可发电5000度，可节约燃料能耗1.8t标准煤。

以国内电厂的平均能耗水平来说每节约1度电，可减少污染排放0.272kg碳粉尘、0.997kg二氧化碳、0.03kg二氧化硫、0.015ｋｇ氮氧化物。

本系统每年及生命周期内所带来的环保效果如下表5-2所示：

表4-2节能效果

环保综合效益分析

年均节能减排量

寿命周期节能减排量（25年）

预计年发电量（MWh）

5

125

二氧化碳（tce）

5

125

碳粉尘Tsp（t）

1.4

35

二氧化硫（t）

0.15

3.75

碳氧化物（t）

0.075

1.875

结论

通过阅读了大量国内外关于分布式光伏发电并网系统的文献资料，结合国家对分布式的鼓励政策，在学校理工南楼的分布式光伏发电系统。

本论文所做的工作主要有：

1.通过对分布式光伏发电系统的工作原理和结构的了解，设计安装了一套2kw的小型光伏发电系统，并成功并网，已安全运行，并对其进行了推广。

2.根据选用的光伏板的参数，进行MATLAB仿真，分析它的输出特性曲线，得到最大功率点跟踪；依据选用的逆变器的主电路，进行参数的选取和仿真验证，并对DC/AC逆变电路的电流控制策略进行对比分析，得出准PR控制的输出电流波形更符合电网的质量要求。

3.收集试验运行的数据，进行综合效益分析，分别从经济效益、技术效益、社会效益、环境效益四个方面分析分布式光伏发电带来的影响，值得社会推广。

4.分布式光伏发电已被应用在家庭供电、道路照明、景观照明、交通监控、大型广告牌、发电站等，市场规模逐步扩大，呈现出广阔的市场前景。

从国际经验和国内发展状况看，分布式光伏发电系统代表着光伏发电未来的发展方向，具有广阔的发展前景，将成为新能源发展中最重要的应用形式。

5.光伏发电技术涉及电力电子、电子科技、控制理论等众多学科，而本次设计不

仅是针对山东成武地区的并网光伏发电的实际应用开展的设计及研究，对其他学科领域的探讨没有涉及更深层次；并网光伏发电系统的高效运转不仅仅受设计和运行过程的制约，还受前期发电站位置的选择及设备出厂、安装质量等制约；并且并网系统是光伏发电系统中的一种，在我国西部等无电地区更适合开展离网型发电系统。

这都是有待今后的学习研究过程中进一步加强。